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研究生:蔣銘達
研究生(外文):Ming-Da Chiang
論文名稱:生醫光機電整合之致動系統研製
論文名稱(外文):Prototyping of an Actuator System in an Optomechanical Apparatus for Biomedical Inspections
指導教授:李福星李福星引用關係
指導教授(外文):Fu-Shin Lee
學位類別:碩士
校院名稱:華梵大學
系所名稱:機電工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:135
中文關鍵詞:光機設計光學變焦檢測系統壓電致動系統機械共振
外文關鍵詞:optomechanicaloptical zoomingbiomedical inspection systempiezoactuatormechanical resonance
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本論文研製壓電型生醫光學變焦檢測系統,主要包括光學變焦檢測系統與壓電致動系統。 研究過程採用光學模擬軟體ZEMAX 設計一簡易式三群光學變焦系統,以像差分析優化修正光學變焦系統,並透過TracePro探討光源因變焦鏡組亮度衰減因素,藉以瞭解CCD擷取其影像有效程度。 本文同時透過選用市售光學透鏡各類元件,組立所設計光學變焦檢測系統,經由光學驗證片與CCD擷取影像,分析其成像品質與變倍效果達到預估成果之效益。
另一方面,本論文依據機械共振與壓電理論,配合有限元素分析軟體ANSYS模擬,設計研發一壓電致動結構,並經由傳統加工機具製作,完成開發壓電致動結構工作,並建構生醫光學變焦檢測系統架構整體雛型。 此外,本研究亦採用PSpice設計模擬壓電致動驅動電路,經由選用市售OPAMP與穩壓IC研發,組立其壓電致動電路系統。
最後,本論文所設計壓電致動結構,經由雷射式都卜勒干涉儀與雷射干涉儀量測位移量,驗證實驗值與模擬值之一致合理性,藉以完成該整合精密且微小化之壓電型生醫光學變焦檢測系統。
The object of this research is to design and prototype a piezoactuator driven optical lenses motion system for an optical biomedical inspection system. The research conducted includes designing a simple three-group optical lens zooming system using the well-known optical simulation tool ZEMAX, correcting the lens parameters by implementing an optimization technique based upon a series of image aberration analysis, and finally investigating the deterioration effects along the optical path, which goes from the light sources, designed lens groups, and striking on/reflecting from the specimens, with the aid of the TracePro simulation tool for light beam traces. Commercial lenses based upon the optimized parameters are adopted to build the piezoactuator driven optical system, and calibration gratings’ images are acquired by a high-quality CCD for subsequent analysis processes. Verifications of the image qualities lead to successful evidences of the optical design approach for zooming and focusing, and the effectiveness is anticipated during the optical simulation stages.
Furthermore, mechanical resonance theory and piezoelectric working principle are implemented to design a piezoactuator structure, which is intended to hold the lenses and minutely displace them independently. The ANSYS finite element method (FEM) simulation tool is used and the piezoactuator mechanism for an optical biomedical inspection apparatus is successfully prototyped by exercising conventional machining tools. In addition, the well-known PSpice electronic development automation (EDA) tool is used to design the regulating and amplify circuits for driving the piezoactuator, and commercial ICs as well as Op-Amps are thereby adopted to build the experimental circuits.
Finally, the prototyped piezoactuator mechanism for the optical lenses is excited according to various predicted resonant modes, and displacements of designated locations on the structure at these frequencies are measured using a conventional laser interferometer and a Doppler laser interferometer during the experiment. The experimental data are mostly consistent with the corresponding simulated ones regarding the resonant amplitudes of the investigated locations. Consequently, the integration of the designed optical lens groups and the piezoactuator mechanism is successfully undertaken for an optomechanical inspection system.
摘要 I
Abstract II
致謝 IV
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XIII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 2
1.2 文獻回顧 4
1.3 研究目的 8
1.4 研究內容 8
1.5 結論 9
第二章 生醫壓電型光學變焦基本理論 11
2.1 生醫光學基本理論 11
2.1.1 光學成像基本原理 12
2.1.2 像差理論 15
2.2 光學變焦理論分析 19
2.2.1 一群透鏡光學系統 20
2.2.2 兩群透鏡光學系統 23
2.2.3 三群透鏡光學系統 25
2.3 壓電致動基本理論 27
2.3.1 基本理論 27
2.3.2 壓電材料物理常數 29
2.3.3 機電耦合因數 36
2.3.4 壓電常數物理特性探討 37
2.4 機械共振基本理論 42
2.5 壓電致動電路技術 46
2.6 位移感測技術 46
2.7 結論 48
第三章 生醫光學變焦設計模擬 49
3.1 光學變焦系統鏡組設計 50
3.2 光學變焦系統光跡模擬 59
3.3 結論 63
第四章 生醫壓電致動結構設計模擬 64
4.1 基本樑結構分析 64
4.2 壓電致動結構有限元素設計模擬 72
4.3 壓電致動結構有限元素耦合場設計模擬 78
4.4 生醫壓電型光學變焦檢測系統雛型 82
4.5 結論 83
第五章 生醫光機電系統整合驗證 84
5.1 光學變焦系統組立與驗證 84
5.2 壓電致動系統組立 87
5.3 壓電致動實驗 93
5.4 結論 95
第六章 生醫光機電整合實驗探討 96
6.1 光學變焦系統實驗成果探討 96
6.2 壓電致動系統實驗結果討論 101
6.2.1 壓電致動電路實驗與討論 101
6.2.2 壓電致動系統實驗與討論 104
6.3 壓電致動實驗探討 105
6.4 結論 109
第七章 總結 111
7.1 生醫光機電整合致動系統研製優點與缺失 111
7.2 未來方向與結論 113
參考文獻 116
個人簡歷 119
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